JP7185870B2

JP7185870B2 - Method for producing antibacterial material and method for producing antibacterial member provided with antibacterial material

Info

Publication number: JP7185870B2
Application number: JP2018186538A
Authority: JP
Inventors: 健伊藤; 智弘清水; 正三新宮原; 一輝中出; 啓輔神代; 貴志佐川; 寛明小嶋
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology; Kansai University
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology; Kansai University
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2038-10-01
Also published as: JP2019072475A

Description

本発明は、物理的構造である微細構造物によって菌を死滅または減少させられる、抗菌材料及びこれを備えた抗菌部材に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an antibacterial material and an antibacterial member having the same, which can kill or reduce bacteria with a microstructure, which is a physical structure.

セミの翅が抗菌性を有することが報告されている（非特許文献１）。非特許文献１では、セミの翅にナノサイズの多数の柱から構成される微細構造物が存在し、この微細構造物に起因する毛細管力により細菌の細胞膜を破壊することで抗菌性を発揮すると述べられている。更に、人工材料（具体的にはブラックシリコン）で形成した微細構造物（ナノサイズの柱であるナノピラー）がセミの翅と同様に抗菌性を持つことが報告されている（非特許文献２）。 It has been reported that cicada wings have antibacterial properties (Non-Patent Document 1). In Non-Patent Document 1, there is a fine structure composed of a large number of nano-sized pillars in the wings of a cicada, and the capillary force caused by this fine structure destroys the cell membrane of bacteria, thereby exhibiting antibacterial properties. It is stated. Furthermore, it has been reported that microstructures (nanopillars, which are nano-sized pillars) formed of artificial materials (specifically, black silicon) have antibacterial properties similar to cicada wings (Non-Patent Document 2). .

Elena P. Ivanova et al.、「Natural Bactericidal Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings」、small、2012年、Volume 8、Issue 16、p.2489-2494Elena P. Ivanova et al., "Natural Bactericidal Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings", small, 2012, Volume 8, Issue 16, p.2489-2494 Elena P. Ivanova et al.、「Bactericidal activity of black silicon」、Nature Communications、2013年11月26日Elena P. Ivanova et al., "Bactericidal activity of black silicon", Nature Communications, 26 November 2013

ところが非特許文献２において、人工的に形成した微細構造物の形状及び密度については検討されていなかった。 However, in Non-Patent Document 2, the shape and density of the artificially formed microstructures were not examined.

そこで本発明は、効果的に細菌を死滅させられる抗菌材料を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an antibacterial material capable of effectively killing bacteria.

本発明は、複数の柱状突起を備え、前記各柱状突起は、以下の関係式で表される形状を有する抗菌材料である。

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

Asp…前記各柱状突起の中心を通る縦断面形状のアスペクト比
p…隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離
The present invention comprises a plurality of columnar projections, each columnar projection being an antibacterial material having a shape represented by the following relational expression.

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

Asp: Aspect ratio of the vertical cross-sectional shape passing through the center of each columnar projection
p…Center-to-center distance between two adjacent columnar projections

この構成によれば、前記関係式により特定される所定寸法で形成された各柱状突起の表面に細菌を引き寄せ、細胞膜を破壊することで細菌を死滅させられる。 According to this configuration, bacteria are attracted to the surface of each columnar projection formed with a predetermined size specified by the above relational expression, and the bacteria are killed by destroying the cell membrane.

そして更に、前記各柱状突起の形状は円柱状とできる。 Furthermore, the shape of each of the columnar projections can be cylindrical.

この構成によれば、例えばメタルアシストエッチング法、ナノインプリント技術、電子線リソグラフィ等により複数の柱状突起を容易に形成できる。 According to this configuration, a plurality of columnar protrusions can be easily formed by, for example, a metal assist etching method, nanoimprint technology, electron beam lithography, or the like.

そして更に、前記各柱状突起はシリコンまたは樹脂から構成されることができる。 Further, each columnar projection can be made of silicon or resin.

この構成によれば、複数の柱状突起を備えた抗菌材料を、一般的な材料であるシリコンまたは樹脂により容易に得ることができる。 According to this configuration, an antibacterial material having a plurality of columnar projections can be easily obtained from silicon or resin, which are general materials.

そして更に、前記各柱状突起の、少なくとも先端周辺の表面は疎水性を有するものとできる。 Furthermore, at least the surface around the tip of each of the columnar projections can be hydrophobic.

この構成によれば、各柱状突起の、少なくとも先端周辺の表面が親水性を有するものと比べて抗菌力を向上させられる。 According to this configuration, the antibacterial activity can be improved as compared with the case where at least the surfaces around the tips of the columnar projections are hydrophilic.

そして更に、前記各柱状突起はシリコンから構成されており、前記疎水性を有する表面はシリコン酸化膜の除去された表面であるものとできる。 Further, each of the columnar projections may be made of silicon, and the hydrophobic surface may be a surface from which a silicon oxide film has been removed.

この構成によれば、シリコン酸化膜を除去することで、各柱状突起に容易に、抗菌力を向上させた疎水性の表面を実現できる。 According to this configuration, by removing the silicon oxide film, each columnar projection can be easily provided with a hydrophobic surface with improved antimicrobial activity.

そして更に、前記複数の柱状突起には、疎水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起が含まれるものとできる。 Furthermore, the plurality of columnar projections may include columnar projections on the surface of which molecules having hydrophobic groups are present.

この構成によれば、疎水基を持つ分子が表面に位置することで、柱状突起の表面に容易に疎水性を実現できる。 According to this configuration, it is possible to easily make the surface of the columnar projections hydrophobic by locating the molecule having the hydrophobic group on the surface.

そして更に、前記複数の柱状突起は、疎水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起と親水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起とが混在して構成されることもできる。 Further, the plurality of columnar projections may be composed of a mixture of columnar projections having molecules with hydrophobic groups on the surface and columnar projections having molecules with hydrophilic groups on the surface.

この構成によれば、複数の柱状突起のうち、疎水基を持つ分子が表面に存在するものと、親水基を持つ分子が表面に存在するものとの混在割合を調整することで、複数の柱状突起の全体で所望の濡れ性を実現できる。 According to this configuration, among the plurality of columnar projections, by adjusting the mixing ratio of the molecules having hydrophobic groups on the surface and the molecules having hydrophilic groups on the surface, the plurality of columnar projections can be obtained. Desired wettability can be achieved over the entire protrusion.

そして本発明は、抗菌の対象細菌が、細長い形状であり鞭毛を有するグラム陰性菌であって、前記隣り合う二つの柱状突起どうしの側面間の隙間が、前記対象細菌の鞭毛を除く最大長よりも小さいものとできる。 In the present invention, the antibacterial target bacterium is a Gram-negative bacterium having an elongated shape and flagella, and the gap between the side surfaces of the two adjacent columnar projections is larger than the maximum length of the target bacterium excluding the flagella. can be made smaller.

この構成によれば、サイズの異なる対象細菌への、最適な抗菌作用を発揮する抗菌材料を提供できる。 According to this configuration, it is possible to provide an antibacterial material that exerts an optimal antibacterial action against target bacteria of different sizes.

そして本発明は、液体に接する部分に用いられる抗菌部材であって、前記いずれかに記載の抗菌材料を、前記複数の柱状突起が前記液体に対して突出するように設けた抗菌部材である。 The present invention also provides an antibacterial member for use in a portion that contacts liquid, wherein the antibacterial material according to any one of the above is provided so that the plurality of columnar projections protrude with respect to the liquid.

この構成によれば、液体中の細菌を効果的に死滅させられる。 According to this configuration, bacteria in the liquid can be effectively killed.

本発明によると、液体中の細菌を柱状突起に誘引して、効果的に死滅させられる抗菌材料を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an antibacterial material that can effectively kill bacteria in liquid by attracting them to the columnar projections.

本発明の第１～第３実施形態に係る抗菌材料の一部を拡大して示した、概略的な斜視図である。1 is a schematic perspective view showing an enlarged part of an antibacterial material according to first to third embodiments of the present invention; FIG. （ａ）～（ｆ）は、前記抗菌材料をメタルアシストエッチング法で作製する場合の手順を工程順に示した、概略的な斜視図である。1(a) to 1(f) are schematic perspective views showing the steps of manufacturing the antibacterial material by the metal-assisted etching method. 前記抗菌材料の抗菌性を評価した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having evaluated the antibacterial property of the said antibacterial material. 表面に柱状突起を備えた試験片と表面が平坦な試験片とにおいて、接触角と付着した細胞の密度との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the contact angle and the density of adhering cells for a test piece having columnar projections on the surface and a test piece having a flat surface. （ａ）は親水基（水酸基）を先端に持つ分子が表面に存在する柱状突起を示し、（ｂ）は疎水基（メチル基）を先端に持つ分子が表面に存在する柱状突起を示し、（ｃ）は親水基（水酸基）を先端に持つ分子が表面に存在する平坦面を示し、（ｄ）は疎水基（メチル基）を先端に持つ分子が表面に存在する平坦面を示した、概略的な斜視図である。(a) shows a columnar protrusion on the surface of which a molecule having a hydrophilic group (hydroxyl group) is present on the surface, (b) shows a columnar protrusion on the surface of which a molecule having a hydrophobic group (methyl group) is present on the surface, ( c) shows a flat surface with a molecule having a hydrophilic group (hydroxy group) at the tip, and (d) shows a flat surface with a molecule having a hydrophobic group (methyl group) at the tip. is a perspective view. 表面に柱状突起（ナノ構造）のある領域とない領域との大腸菌の付着数の差を示す顕微鏡画像である。Fig. 10 is a microscopic image showing the difference in the number of adherent E. coli between areas with and without columnar projections (nanostructures) on the surface. 表面特性と抗菌特性との関係につき、大腸菌の生・死細胞数の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the living-dead cell number of E. coli about the relationship between a surface characteristic and an antibacterial characteristic. 異なる接触角の表面における、大腸菌の生存率の時間変化を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing changes over time in the survival rate of E. coli on surfaces with different contact angles. FIG. 前記抗菌材料の形状を評価するための寸法を説明するための、概略的な縦断面図である。FIG. 4 is a schematic vertical cross-sectional view for explaining dimensions for evaluating the shape of the antibacterial material; 隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離が３パターンにおける、隣り合う二つの柱状突起どうしの側面間の隙間(Gap)と大腸菌の生存率（生菌率）との関係を示すグラフである。Fig. 10 is a graph showing the relationship between the gap between the sides of two adjacent columnar projections (Gap) and the survival rate of E. coli (viable cell rate) in three patterns of center-to-center distances between two adjacent columnar projections. 隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離が３パターンにおける、柱状突起の高さと大腸菌の生存率（生菌率）との関係を示すグラフである。Fig. 10 is a graph showing the relationship between the height of a columnar projection and the survival rate of E. coli (viable cell rate) in three patterns of the center-to-center distance between two adjacent columnar projections. 隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離が３パターンにおける、柱状突起のアスペクト比(Aspect ratio)と大腸菌の生存率（生菌率）との関係を示すグラフである。Fig. 10 is a graph showing the relationship between the aspect ratio of a columnar projection and the survival rate of E. coli (viable cell rate) in three patterns of distances between the centers of two adjacent columnar projections. 隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離が４パターンにおける、柱状突起のアスペクト比(Aspect ratio)と大腸菌の生存率（生菌率(Living bacteria ratio)）との関係を示すグラフであり、（ａ）は中心間距離(Pitch)２００nmの場合、（ｂ）は中心間距離(Pitch)５００nmの場合、（ｃ）は中心間距離(Pitch)１０００nmの場合、（ｄ）は中心間距離(Pitch)２０００nmの場合を示す。A graph showing the relationship between the aspect ratio of pillars and the survival rate of E. coli (living bacteria ratio) in 4 patterns of center-to-center distances between two adjacent pillars, a) is when the center distance (Pitch) is 200 nm, (b) is when the center distance (Pitch) is 500 nm, (c) is when the center distance (Pitch) is 1000 nm, (d) is the center distance (Pitch ) for 2000 nm. 抗菌を発揮する条件を解析するためのグラフであって、隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離(Pitch)１０００nmの場合の、柱状突起のアスペクト比と大腸菌の生存率（生菌率）の対数との関係を示す。A graph for analyzing the conditions for exerting antibacterial activity, showing the aspect ratio of pillars and the survival rate of E. coli (viable cell rate) when the center-to-center distance (Pitch) between two adjacent pillars is 1000 nm. Shows the relationship with the logarithm. 大腸菌の生存率（生菌率）が１％、０．１％のそれぞれの場合での、隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離(Pitch)と柱状突起のアスペクト比(Aspect ratio) との関係を示すグラフである。The center-to-center distance (Pitch) between two adjacent columnar projections and the aspect ratio of the columnar projections (Aspect ratio) when the survival rate (viable cell rate) of E. coli is 1% and 0.1%, respectively. It is a graph showing the relationship. ＱＣＭ法における共振抵抗(Resistance shift)の時間変化を示すグラフであり、（ａ）はナノ構造の有無の影響を示し、（ｂ）は接触角の影響を示し、（ｃ）は菌の鞭毛の有無の影響を示す。It is a graph showing the time change of the resonance resistance (Resistance shift) in the QCM method, (a) shows the effect of the presence or absence of the nanostructure, (b) shows the effect of the contact angle, and (c) is the flagella of the fungus. Indicates the effect of presence or absence. ＱＣＭ法における測定後の水晶振動子表面の状態を示す顕微鏡画像である。It is a microscope image which shows the state of the crystal oscillator surface after the measurement in QCM method. （ａ）～（ｃ）は、推測される抗菌メカニズムを示す概略図である。(a)-(c) are schematic diagrams showing the presumed antibacterial mechanism. 本発明の第１実施形態に係る抗菌材料と抗菌の対象細菌との大きさの関係を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the size relationship between the antibacterial material according to the first embodiment of the present invention and the antibacterial target bacteria.

（第１実施形態）
本発明につき、第１実施形態を取り上げて説明を行う。ここで、本明細書に記載した「抗菌」との用語は、JIS Z 2801における定義である「製品の表面における細菌の増殖を抑制する状態」に対応している。具体的に、「抗菌」とは、抗菌材料の周囲に存在する微生物（特に細菌）の数量を死滅により減少あるいは増加させない状態を意味する。 (First embodiment)
The present invention will be described with reference to the first embodiment. Here, the term "antibacterial" described in this specification corresponds to the definition in JIS Z 2801, "a state in which the growth of bacteria on the surface of a product is suppressed". Specifically, "antibacterial" means a state in which the number of microorganisms (especially bacteria) present around the antibacterial material is not reduced or increased by being killed.

まず、本実施形態の概要を述べておく。本願の発明者は、自己組織化膜を形成することにより、寸法（間隔、高さ、横断面寸法等）や密度を任意に設定した微細構造物（「ナノ構造」ともいう）を形成した。そして、表面の濡れ性を調整して親水性及び／または疎水性（撥水性）表面を有する微細構造物を得た。このようにして得られた微細構造物の疎水性表面に、親水性表面に比べて積極的に微生物（細菌）が付着して死滅することが確認された。 First, the outline of this embodiment will be described. The inventors of the present application formed a microstructure (also referred to as a “nanostructure”) having arbitrary dimensions (interval, height, cross-sectional dimension, etc.) and density by forming a self-assembled film. Then, the wettability of the surface was adjusted to obtain a microstructure having a hydrophilic and/or hydrophobic (water-repellent) surface. It was confirmed that micro-organisms (bacteria) more actively adhere to the hydrophobic surface of the microstructure thus obtained than to the hydrophilic surface and die.

図１は、本実施形態の、基板２上に複数の微細構造物としての柱状突起（ナノピラー）３…３を備えた抗菌材料１を示す。なお、図１は概略図であって、本実施形態の抗菌材料１を正確に示したものではない。基板２及び各柱状突起３はシリコンから構成されている。各柱状突起３の形状は、本実施形態では円柱状とされている。しかし、各柱状突起３の形状は特に限定されるものではなく、多角柱状、円錐状、多角錐状であってもよい。ただし、形状を円柱状とすることが、例えば後述のメタルアシストエッチング法により自己組織化膜を形成できることから、複数の柱状突起３…３を容易に形成できるため好ましい。 FIG. 1 shows an antibacterial material 1 according to the present embodiment, which comprises a substrate 2 and a plurality of columnar projections (nanopillars) 3...3 as fine structures. Note that FIG. 1 is a schematic diagram and does not accurately show the antibacterial material 1 of the present embodiment. The substrate 2 and each columnar projection 3 are made of silicon. The shape of each columnar projection 3 is cylindrical in this embodiment. However, the shape of each columnar projection 3 is not particularly limited, and may be polygonal columnar, conical, or polygonal pyramidal. However , it is preferable to use a columnar shape because a self-assembled film can be formed by, for example, a metal-assisted etching method to be described later, so that a plurality of columnar projections 3 can be easily formed.

各柱状突起３の、少なくとも先端周辺の表面は疎水性を有している。これは、細菌を積極的に付着させるためである。ただし、本発明において表面の疎水性は必須要件ではなく、親水性であってもよい。また一般的に、「疎水性」とは、水の接触角（具体的には静的接触角）が９０°を超える場合に該当するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、相対的に疎水性か親水性かを定めることもできる。前記「先端周辺」とは端面及び側面のうち端面側の面である。細菌を効果的に付着させるためには、各柱状突起３の先端周辺の表面が疎水性を有していれば足りる。細菌の付着に関する詳細は後述する。 At least the surface around the tip of each columnar projection 3 is hydrophobic. This is to allow the bacteria to actively adhere. However, in the present invention, the hydrophobicity of the surface is not an essential requirement, and it may be hydrophilic. In general, "hydrophobic" corresponds to a case where the contact angle of water (specifically, the static contact angle) exceeds 90°, but is not necessarily limited to this. It is also possible to define hydrophobicity or hydrophilicity. The above-mentioned "periphery of the tip" is the face on the end face side out of the end face and the side face. In order for bacteria to adhere effectively, it is sufficient that the surface around the tip of each columnar projection 3 is hydrophobic. Details regarding the adhesion of bacteria will be described later.

複数の柱状突起３…３の配置及び各柱状突起３の寸法に関し、各柱状突起３は、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離（図９参照）が５００nm以下とされている。なお、中心間距離の下限値は下記隙間の設定に関連して定まる。更に、前記隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの側面間の隙間（図９参照）が２０nm以上２００nm以下である、または、前記各柱状突起３の中心を通る縦断面形状のアスペクト比が１以上である。このように各寸法を設定することで、疎水性を有する各柱状突起３の表面に細菌を引き寄せ、細胞膜を破壊することで細菌を死滅させられる。 Regarding the arrangement of the plurality of columnar projections 3 and the dimensions of each columnar projection 3, each columnar projection 3 has a center-to-center distance (see FIG. 9) between two adjacent columnar projections 3, 3 of 500 nm or less. . Note that the lower limit of the center-to-center distance is determined in relation to the setting of the gap described below. Further, the gap between the side surfaces of the two adjacent columnar projections 3, 3 (see FIG. 9) is 20 nm or more and 200 nm or less, or the aspect ratio of the vertical cross-sectional shape passing through the center of each columnar projection 3 is 1. That's it. By setting each dimension in this way, the bacteria are attracted to the hydrophobic surface of each columnar projection 3, and the cell membrane is destroyed, thereby killing the bacteria.

本実施形態の抗菌材料１は湿式エッチング技術に係る方法の一例であるメタルアシストエッチング法で作製される。作製手順を工程順に図２（ａ）～図２（ｆ）に示す。なお、図２（ａ）～図２（ｆ）は概略図であって、図示されている寸法関係は正確ではない。 The antibacterial material 1 of this embodiment is produced by a metal-assisted etching method, which is an example of a wet etching technique. The manufacturing procedure is shown in FIGS. 2(a) to 2(f) in order of steps. 2(a) to 2(f) are schematic diagrams, and the illustrated dimensional relationships are not accurate.

まず、平坦なシリコン板２ａの表面に所定寸法のポリスチレンビーズ（以下、単に「ビーズ」という）Ｂを複数、重ならず最密充填状態となるように敷き詰め、図２（ａ）に示した状態とする。これにより、シリコン板２ａ上に、複数のビーズＢ…Ｂからなる自己組織化膜が形成される。最密充填状態であるから、各ビーズＢの直径がすなわち、形成後の隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離Ｓ（図９参照）となる。このため、この処理によって所望の中心間距離Ｓを有する複数の柱状突起３…３を得ることができる。 First, on the surface of a flat silicon plate 2a, a plurality of polystyrene beads (hereinafter simply referred to as "beads") B of a predetermined size are spread so as to form a close-packed state without overlapping, and the state shown in FIG. 2(a) is obtained. and As a result, a self-assembled film composed of a plurality of beads B . . . B is formed on the silicon plate 2a. Since it is in the closest packed state, the diameter of each bead B becomes the center-to-center distance S (see FIG. 9) between the two adjacent columnar projections 3, 3 after formation. Therefore, the plurality of columnar projections 3 having the desired center-to-center distance S can be obtained by this process.

次に、各ビーズＢに対してプラズマ（本実施形態では酸素プラズマ）を照射させて炭化させることにより、各ビーズＢをシリコン板２ａ上の同一位置にて小径化して、図２（ｂ）に示した状態とする。小さくなったビーズＢの直径がすなわち、形成後の柱状突起３の直径Ｄ（図９参照）となる。このため、この処理によって所望の直径を有する柱状突起３を得ることができる。 Next, each bead B is irradiated with plasma (oxygen plasma in this embodiment) to be carbonized, thereby reducing the diameter of each bead B at the same position on the silicon plate 2a. state as shown. The reduced diameter of the bead B becomes the diameter D of the post-formed columnar projection 3 (see FIG. 9). Therefore, by this treatment, columnar projections 3 having a desired diameter can be obtained.

次に、種々の成膜方法を用いて、シリコン板２ａ上に貴金属を上方から堆積させ薄膜Ｆを形成することで、図２（ｃ）に示した状態とする。本実施形態ではスパッタリングによりシリコン板上に金の薄膜Ｆを形成している。ここで、シリコン板２ａ上には複数のビーズＢ…Ｂが存在しているため、各ビーズＢが陰になって、各ビーズＢの直下における各ビーズＢの直径分の円形領域Ｒには貴金属の薄膜Ｆは形成されない状態となる。 Next, a thin film F is formed by depositing a noble metal on the silicon plate 2a from above using various film forming methods to obtain the state shown in FIG. 2(c). In this embodiment, a gold thin film F is formed on a silicon plate by sputtering. Here, since a plurality of beads B . . . B exist on the silicon plate 2a, each bead B is shaded, and a circular area R corresponding to the diameter of each bead B immediately below each bead B contains precious metal. , the thin film F is not formed.

次に、図２（ｃ）に示したものをエッチング液に浸漬する。本実施形態のエッチング液は、過酸化水素及びフッ化水素酸の混合水溶液である。この浸漬により、シリコン板２ａのうち、貴金属の薄膜Ｆに接した部分のシリコンが選択的に削られる。これに伴い薄膜Ｆは下降していき、図２（ｄ）に示すように、複数のビーズＢ…Ｂの下方に微細な円柱状である柱状突起３が複数形成されると共に基板２が形成される。 Next, the substrate shown in FIG. 2(c) is immersed in an etchant. The etchant of this embodiment is a mixed aqueous solution of hydrogen peroxide and hydrofluoric acid. By this immersion, the silicon of the portion of the silicon plate 2a that is in contact with the noble metal thin film F is selectively shaved. Along with this, the thin film F descends, and as shown in FIG. be.

次に、貴金属の薄膜Ｆを除去して、図２（ｅ）に示した状態とする。除去のため、本実施形態では王水が用いられる。その他に、ヨウ素とヨウ化カリウムを混合した溶液でも実施できる。そしてビーズＢを除去することで、図２（ｆ）に示した状態とし、抗菌材料１が出来上がる。ただし、図２（ｆ）に示した状態では柱状突起３の表面はメタルアシストエッチングによる影響により形成されたシリコン酸化膜で覆われたままの状態である。 Next, the noble metal thin film F is removed to obtain the state shown in FIG. 2(e). For removal, aqua regia is used in this embodiment. Alternatively, a mixed solution of iodine and potassium iodide can be used. Then, by removing the beads B, the state shown in FIG. However, in the state shown in FIG. 2(f), the surfaces of the columnar projections 3 are still covered with the silicon oxide film formed by the metal-assisted etching.

このように複数のビーズＢ…Ｂを用いたメタルアシストエッチング法により、所望の寸法及び密度とされた複数の柱状突起３…３を備えた抗菌材料１を容易に得ることができる。自己組織化膜を利用することで、コストダウンと作製に要する時間の短縮をはかることができる。抗菌材料１は、前述のメタルアシストエッチング法により得られた複数の柱状突起３…３を備えた物体を直接的に用いることもできるし、この物体を樹脂（例えばシリコンゴム）等に転写したものを用いることもできるし、この物体をかたどった成形型・転写型をまず形成し、その成形型・転写型を利用して製造した樹脂（例えばシリコンゴム）等の成型品を用いることもできる。成形・転写によることで、抗菌材料を大量生産できる。成形・転写の技術としてはナノインプリント技術、電子線リソグラフィ等を利用できる。このようにして、複数の柱状突起を備えた抗菌材料１を、一般的な材料であるシリコンまたは樹脂により容易に得ることができる。樹脂素材に関しては、本願の発明者はシリコンゴムであるＰＤＭＳにより抗菌材料１を実際に作成し、抗菌性を発揮することを確認している。 By the metal-assisted etching method using a plurality of beads B in this way, it is possible to easily obtain the antibacterial material 1 having a plurality of columnar projections 3 . . . 3 with desired dimensions and density. By using self-assembled films, it is possible to reduce costs and shorten the time required for fabrication. As the antibacterial material 1, an object provided with a plurality of columnar projections 3 obtained by the metal-assisted etching method described above can be used directly, or this object can be transferred to a resin (for example, silicone rubber) or the like. Alternatively, a mold/transfer mold that is shaped like this object is first formed, and a molded product such as a resin (e.g., silicon rubber) manufactured using the mold/transfer mold can also be used. By molding and transferring, antibacterial materials can be mass-produced. Nanoimprint technology, electron beam lithography, and the like can be used as molding/transfer technology. In this way, the antibacterial material 1 having a plurality of columnar projections can be easily obtained from silicon or resin, which are common materials. As for the resin material, the inventors of the present application actually created the antibacterial material 1 from PDMS, which is silicone rubber, and confirmed that the antibacterial property is exhibited.

メタルアシストエッチング法により形成された各柱状突起３の表面はシリコン酸化膜（二酸化シリコンの膜）で覆われているため親水性を有している。このシリコン酸化膜を除去することにより、各柱状突起３の表面に疎水性を有するものとできる。つまり、疎水性を有する表面はシリコン酸化膜の除去された表面のことである。本実施形態では、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液への浸漬により酸化膜を除去している。このようにシリコン酸化膜を除去することで、各柱状突起３の表面に容易に疎水性を実現できる。また、前記浸漬がされない部分は親水性を有したままで、前記浸漬がされた部分は疎水性を有するものとできるので、例えば、各柱状突起３の先端周辺の表面だけを疎水性を有するようにする等、所望の領域に関して疎水性及び親水性を実現できる。 The surface of each columnar projection 3 formed by the metal-assisted etching method is covered with a silicon oxide film (silicon dioxide film) and thus has hydrophilicity. By removing this silicon oxide film, the surface of each columnar projection 3 can be made hydrophobic. In other words, the hydrophobic surface is the surface from which the silicon oxide film has been removed. In this embodiment, the oxide film is removed by immersion in a mixed solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride. By removing the silicon oxide film in this manner, the surface of each columnar projection 3 can be easily made hydrophobic. In addition, since the portion not immersed can remain hydrophilic, and the portion immersed can be made hydrophobic, for example, only the surface around the tip of each columnar projection 3 can be made hydrophobic. Hydrophobicity and hydrophilicity can be achieved for desired regions, such as by

柱状突起３の表面が有する濡れ性（接触角）の調整は、疎水基を持つ分子または親水基を持つ分子を適宜、各柱状突起３の表面に設けることで実現できる。例えば、まず各柱状突起３の表面に金の薄膜を形成しておく。そして、図５（ａ）（ｂ）に示すように、金と結合しやすいチオール基を基端部に持ち、先端部に水酸基（親水基）またはメチル基（疎水基）を持つ分子を結合させる。このようにすることで本実施形態では、各柱状突起３の表面において、接触角（水）を１０°～１４０°の範囲で任意に調整できる。 The wettability (contact angle) of the surface of the columnar projections 3 can be adjusted by appropriately providing the surface of each columnar projection 3 with a molecule having a hydrophobic group or a molecule having a hydrophilic group. For example, first, a gold thin film is formed on the surface of each columnar projection 3 . Then, as shown in FIGS. 5(a) and 5(b), a molecule having a thiol group at the proximal end that easily binds to gold and a hydroxyl group (hydrophilic group) or a methyl group (hydrophobic group) at the tip is bound. . By doing so, in this embodiment, the contact angle (water) on the surface of each columnar projection 3 can be arbitrarily adjusted within the range of 10° to 140°.

このように、複数の柱状突起３…３は、疎水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起３と親水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起３とが混在して構成されることができる。疎水基を持つ分子が表面に位置することで、柱状突起３の表面に容易に疎水性を実現できる。また、複数の柱状突起３…３のうち、疎水基を持つ分子が表面に存在するものと、親水基を持つ分子が表面に存在するものとの混在割合を調整することで、複数の柱状突起３…３の全体で所望の濡れ性を実現できる。このほか、一つの柱状突起３において、疎水基を持つ分子と親水基を持つ分子とが表面に混在して存在するようにすることも可能である。 In this way, the plurality of columnar protrusions 3 . . . 3 may be composed of a mixture of the columnar protrusions 3 having molecules having hydrophobic groups on the surface and the columnar protrusions 3 having molecules having hydrophilic groups present on the surface. can. Hydrophobicity can be easily realized on the surface of the columnar protrusions 3 by locating molecules having hydrophobic groups on the surface. In addition, among the plurality of columnar projections 3 . 3 . . . Desired wettability can be realized by all of 3. In addition, it is also possible to have molecules with hydrophobic groups and molecules with hydrophilic groups present on the surface of one columnar projection 3 in a mixed manner.

このように形成された抗菌材料１は、例えばブロック状やシート状の形状とすることができる。この抗菌材料１は、液体に接する部分に用いられる抗菌部材であって、抗菌材料１の備える複数の柱状突起３…３が液体に対して突出するように備えられた抗菌部材に組み込んで利用できる。この抗菌部材を用いることで、液体中の細菌を効果的に死滅させられる。この抗菌部材は、上下水道用の配管部材、家庭内の配管部材、食品工場等の衛生管理が必要な施設において液体に触れる部材、医療機器や医療用分析装置を構成する部材等に利用できる。 The antibacterial material 1 formed in this manner can be, for example, block-shaped or sheet-shaped. This antibacterial material 1 is an antibacterial member that is used in a portion that comes into contact with a liquid, and can be used by incorporating it into the antibacterial member provided with a plurality of columnar projections 3 provided in the antibacterial material 1 so as to protrude against the liquid. . Bacteria in the liquid can be effectively killed by using this antibacterial member. This antibacterial member can be used for plumbing members for water supply and sewerage, domestic plumbing members, members that come into contact with liquids in facilities requiring hygiene control such as food factories, and members constituting medical equipment and medical analyzers.

次に、本願の発明者が本実施形態の抗菌材料１に関し、各種の試験を行ったので説明する。以下で説明する試験はすべてJIS Z 2801に則って行った。また、試験に供した大腸菌の菌株はNBR3972である。 Next, various tests conducted by the inventor of the present application on the antibacterial material 1 of the present embodiment will be described. All the tests described below were conducted according to JIS Z 2801. In addition, the strain of Escherichia coli used for the test is NBR3972.

図３は、柱状突起３の直径Ｄと高さＨ（図９参照）の積、つまり縦断面積に対する大腸菌の、２４時間経過の生存率を示す。平坦な試験片に関しては、縦断面積を０とする。なお、グラフ縦軸の下端（１０^-5％）は検出限界以下である場合も含む。柱状突起（ナノピラー）３を有する試験片において、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離Ｓ（図９参照）は２００nmに設定した。 FIG. 3 shows the product of the diameter D and the height H (see FIG. 9) of the columnar projection 3, that is, the survival rate of E. coli after 24 hours with respect to the vertical cross-sectional area. For flat specimens, the longitudinal cross-sectional area is taken as zero. The lower end (10 ^-5 %) of the vertical axis of the graph includes cases where it is below the detection limit. In the test piece having columnar projections (nanopillars) 3, the center-to-center distance S (see FIG. 9) between two adjacent columnar projections 3, 3 was set to 200 nm.

図３中の四角形ポイントは、表面が二酸化シリコンで覆われた柱状突起３を有する試験片（水の接触角が２３°で相対的に親水性）に関してであり、丸形ポイントは、表面にシリコンが露出した柱状突起３を有する試験片（水の接触角が７７°で相対的に疎水性）に関してであり、Ｘ字形ポイントは、表面が二酸化シリコンで覆われた平坦な試験片に関してであり、菱形ポイントは、表面にシリコンが露出した平坦な試験片に関してである。 The square points in FIG. 3 are for the test piece with pillars 3 whose surface is covered with silicon dioxide (relatively hydrophilic with a water contact angle of 23°), and the round points are for the silicon dioxide on the surface. is for the specimen with exposed pillars 3 (relatively hydrophobic with a water contact angle of 77°), the X point is for the flat specimen whose surface is covered with silicon dioxide, Diamond points are for flat specimens with exposed silicon on the surface.

一般的には、生存率が１％以下であれば抗菌性があると評価できる（JIS Z 2801）。図３に示すように、柱状突起３を有する試験片のうち表面が親水性のものは、縦断面積が小さい領域では生存率が高かったが、縦断面積が大きくなるにつれて生存率が低下していた。一方、柱状突起３を有する試験片のうち表面が疎水性のものは、縦断面積を問わず生存率が低く、良好に抗菌性を発揮していることが確認できた。 In general, if the survival rate is 1% or less, it can be evaluated as having antibacterial properties (JIS Z 2801). As shown in FIG. 3, among the test pieces having columnar projections 3, those with a hydrophilic surface had a high survival rate in a region with a small longitudinal cross-sectional area, but the survival rate decreased as the longitudinal cross-sectional area increased. . On the other hand, among the test pieces having columnar projections 3, those having a hydrophobic surface had a low survival rate regardless of the longitudinal cross-sectional area, and it was confirmed that the antibacterial properties were exhibited satisfactorily.

次に、表面の濡れ性と細菌の付着性との関係を図４に示す。柱状突起３を備えた試験片と平坦な試験片のそれぞれにつき、表面に疎水基と親水基を持たせることで接触角（水）を変化させた複数種を用意する。これらの試験片に同数の大腸菌を含んだ培養液を滴下して蓋を被せ、試験片への大腸菌の付着数を顕微鏡で観察しカウントした。 Next, FIG. 4 shows the relationship between surface wettability and bacterial adhesion. For each of the test piece provided with the columnar projections 3 and the flat test piece, a plurality of types are prepared in which the contact angle (water) is changed by providing a hydrophobic group and a hydrophilic group on the surface. A culture solution containing the same number of E. coli was dropped onto each of these test pieces, and the lids were placed on the test pieces.

図４中の丸形ポイントは、複数の柱状突起３…３を備えた試験片（図５（ａ）及び図５（ｂ）参照）に関してであり、四角形ポイントは、平坦な試験片に関して（図５（ｃ）及び図５（ｄ）参照）である。図４の横軸は接触角、縦軸は１mm四方の大腸菌密度を示す。各ポイントを結んだ曲線から、接触角が大きい（疎水的である）ほど付着性が高く、かつ、柱状突起３がある方が高い付着性であることが示されている。なお、図４に示すように、柱状突起３を備えた試験片では、接触角１００°を超えると大腸菌の付着数の増加が鈍化しているが、これは投入した大腸菌のほとんどが付着してしまったためと推察される。 The round points in FIG. 4 are for test pieces with a plurality of columnar projections 3...3 (see FIGS. 5(a) and 5(b)), and the square points are for flat test pieces (Fig. 5(c) and FIG. 5(d)). In FIG. 4, the horizontal axis indicates the contact angle, and the vertical axis indicates the E. coli density of 1 mm square. The curve connecting the points shows that the larger the contact angle (the more hydrophobic) the higher the adhesion, and the higher the adhesion with the columnar projections 3 . In addition, as shown in FIG. 4, in the test piece having the columnar projections 3, the increase in the number of E.coli adherence slowed down when the contact angle exceeded 100°. It is presumed that this is because it has been tampered with.

また、図６は顕微鏡画像であって、柱状突起（図６中の「ナノ構造」）３のある領域とない領域で大腸菌の付着数に明確な差があることがわかった。 Moreover, FIG. 6 is a microscopic image, and it was found that there is a clear difference in the number of adherent E. coli between areas with and without columnar projections (“nanostructures” in FIG. 6) 3 .

これらの結果により、少なくとも大腸菌においては、接触角が大きいほど付着性が高く、しかも柱状突起３があると付着性が高いことが明らかとなった。このことは、少なくとも鞭毛を有する微生物について同じであることが推察できる。 From these results, it was clarified that, at least in Escherichia coli, the greater the contact angle, the higher the adhesiveness, and moreover, the presence of the columnar projections 3 increased the adhesiveness. It can be inferred that this is at least the same for flagellated microorganisms.

また、細菌の生死については、細胞膜を透過できるため生きた細胞が染色される蛍光色素と、細胞膜を透過できないため死んだ細胞（細胞膜が破壊された細胞）が染色される蛍光色素を用い、蛍光顕微鏡で観察することにより、蛍光色の違いから生存している細菌と死滅した細菌の数をそれぞれカウントした。複数の柱状突起３…３を備え、接触角（水）を１００°に調整した試験片を用いた。結果を図７に示す。図７の横軸は経過時間、縦軸は顕微鏡の視野内でカウントされた細胞数を示す。図７に示すように、試験片の表面が疎水性である方が親水性であるよりも細胞を多く死滅させられていることがわかる。 In addition, regarding the life and death of bacteria, we used a fluorescent dye that can permeate the cell membrane and stain live cells, and a fluorescent dye that cannot permeate the cell membrane and stain dead cells (cells with destroyed cell membranes). By observing with a microscope, the number of surviving bacteria and the number of dead bacteria were counted from the difference in fluorescence color. A test piece having a plurality of columnar projections 3 . . . 3 and having a contact angle (water) adjusted to 100° was used. The results are shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 7 indicates elapsed time, and the vertical axis indicates the number of cells counted within the field of view of the microscope. As shown in FIG. 7, it can be seen that more cells are killed when the surface of the test piece is hydrophobic than when the surface is hydrophilic.

また、図８に試験片表面の濡れ性と大腸菌の死滅スピードの関係を示す。図８中の三角形ポイントは、接触角（水）が１００°の試験片に関してであり、四角形ポイントは、接触角（水）が７０°の試験片に関してであり、丸形ポイントは接触角（水）が極めて低い超親水性の試験片に関してである。結果を図８に示す。図８の横軸は経過時間、縦軸は大腸菌の生存率である。図８に示すように、接触角が大きい方、つまり疎水的であるほど生存率の減少が大きいため、死滅スピードが速いことがわかる。 In addition, FIG. 8 shows the relationship between the wettability of the surface of the test piece and the killing speed of E. coli. The triangle points in FIG. 8 are for the test piece with a contact angle (water) of 100°, the square points are for the test piece with a contact angle (water) of 70°, and the round points are for the contact angle (water). ) is very low for superhydrophilic specimens. The results are shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 8 is the elapsed time, and the vertical axis is the survival rate of E. coli. As shown in FIG. 8, the greater the contact angle, ie, the more hydrophobic, the greater the decrease in survival rate, indicating that the kill speed is faster.

図１０～図１２に、柱状突起３の寸法と２４時間経過後の大腸菌の生存率との関係を示す。図９に評価対象とした寸法の関係を示す。隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離を３パターン（２００nm、５００nm、１０００nm）で設定した。 10 to 12 show the relationship between the size of the columnar projection 3 and the survival rate of E. coli after 24 hours. FIG. 9 shows the relationship of the dimensions that were evaluated. Three patterns (200 nm, 500 nm, 1000 nm) were set for the center-to-center distance between two adjacent columnar projections 3,3.

図２（ａ）～図２（ｆ）で示されたように試験片の柱状突起３を作製した関係上、中心間距離を変化させると、柱状突起３の高さ及び直径も変化したものとなっている。それぞれの関係は以下の通りである。
中心間距離Ｓ：２００nm、高さＨ：約２５０nm、直径Ｄ：約１２０nm
中心間距離Ｓ：５００nm、高さＨ：約５００nm、直径Ｄ：約２７０nm
中心間距離Ｓ：１０００nm、高さＨ：約３００nm、直径Ｄ：約５１０nm Since the columnar projections 3 of the test piece were prepared as shown in FIGS. 2(a) to 2(f), when the center-to-center distance was changed, the height and diameter of the columnar projections 3 also changed. It's becoming Their relationship is as follows.
Center-to-center distance S: 200 nm, height H: about 250 nm, diameter D: about 120 nm
Center-to-center distance S: 500 nm, height H: about 500 nm, diameter D: about 270 nm
Center-to-center distance S: 1000 nm, height H: about 300 nm, diameter D: about 510 nm

なお、試験片はシリコンにより作製した。なお、試験片の表面は酸化膜でおおわれているため親水的条件である。このため、試験は、前述した結果から厳しい方（疎水的条件に比べて細菌が死滅しにくい方）の条件である親水的条件で行った。抗菌性の判断基準は、一般的な基準である生存率（生菌率）１％以下とした。 Note that the test piece was made of silicon. In addition, since the surface of the test piece is covered with an oxide film, the condition is hydrophilic. For this reason, the test was conducted under hydrophilic conditions, which are severer conditions (bacteria are less likely to die compared to hydrophobic conditions) from the results described above. The criteria for judging the antibacterial properties were a survival rate (viable cell rate) of 1% or less, which is a general standard.

図１０は、各パターンにおける、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの側面間の隙間(Gap)Ｇと大腸菌の生存率（生菌率）との関係を示す。その結果、各パターンとも、隙間Ｇが２００nm以下で急激に抗菌力が高まっていることがわかる。なお、隙間Ｇの下限値に関しては試験で特定されていないが、前述のように隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの隙間に入り込む微生物の鞭毛の大きさとの関係で、２０nmが下限値と考えられる。 FIG. 10 shows the relationship between the gap G between the side surfaces of two adjacent columnar projections 3, 3 and the survival rate of E. coli (viable cell rate) in each pattern. As a result, it can be seen that in each pattern, the antibacterial activity sharply increases when the gap G is 200 nm or less. Although the lower limit of the gap G has not been specified in the test, 20 nm is the lower limit because of the size of the flagella of the microorganism that enters the gap between the two adjacent columnar projections 3, 3 as described above. Conceivable.

図１１は、各パターンにおける、柱状突起３の高さＨと大腸菌の生存率（生菌率）との関係を示す。その結果、中心間距離５００nm付近が閾値であることがわかる。 FIG. 11 shows the relationship between the height H of the columnar projections 3 and the survival rate (viability rate) of E. coli in each pattern. As a result, it can be seen that the threshold is near the center-to-center distance of 500 nm.

図１２は、各パターンにおける、柱状突起３のアスペクト比(Aspect ratio)と大腸菌の生存率（生菌率）との関係を示す。その結果、中心間距離が５００nm以下で、かつ、アスペクト比が１を超えると急激に抗菌力が高まっていることがわかる。 FIG. 12 shows the relationship between the aspect ratio of the columnar projections 3 and the survival rate of E. coli (viable cell rate) in each pattern. As a result, it can be seen that when the center-to-center distance is 500 nm or less and the aspect ratio exceeds 1, the antibacterial activity increases sharply.

これら結果から、本実施形態の抗菌材料１では、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離が５００nm以下とされることが基本的な条件であり、更に、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの側面間の隙間が２０nm以上２００nm以下である、または、各柱状突起３の中心を通る縦断面形状のアスペクト比が１以上であることが抗菌性を発揮するための条件であることが見いだせた。 From these results, in the antibacterial material 1 of the present embodiment, the basic condition is that the distance between the centers of two adjacent columnar projections 3, 3 is 500 nm or less. It is a condition for exhibiting antibacterial properties that the gap between the side surfaces of 3, 3 is 20 nm or more and 200 nm or less, or that the aspect ratio of the longitudinal cross-sectional shape passing through the center of each columnar projection 3 is 1 or more. I found out.

以上、図１０～図１２に示す試験結果から、親水性条件で抗菌性が発揮されることが確認できた。したがって、疎水性条件ではより強く抗菌性が発揮されることが推測できる。 As described above, from the test results shown in FIGS. 10 to 12, it was confirmed that antibacterial properties were exhibited under hydrophilic conditions. Therefore, it can be inferred that a stronger antibacterial property is exhibited under hydrophobic conditions.

以上、本実施形態の抗菌材料１は、液体に含まれる微生物（特に細菌）に対する抗菌性を発揮するものである。この抗菌材料１は、化学的な作用ではなく、物理的構造である柱状突起３に起因する作用で抗菌性を発揮することが特徴である。このため、柱状突起３が磨耗したり欠損したりすることで作用が低下しない限り、抗菌性が時間経過で低下することがないので、効果に持続性がある、大変優れた抗菌材料１を得ることができる。
As described above, the antibacterial material 1 of the present embodiment exhibits antibacterial properties against microorganisms (especially bacteria) contained in liquid. This antibacterial material 1 is characterized in that it exerts antibacterial properties not by chemical action but by action resulting from columnar projections 3 which are physical structures. Therefore, as long as the columnar projections 3 are not worn or lost and the action is not lowered, the antibacterial property does not deteriorate with the passage of time. be able to.

（第２実施形態）
次に、本願の発明者が第１実施形態に係る知見を得た後に研究を継続した結果、新たな（拡張的な）知見を得られたので、以下に第２実施形態として説明する。なお、第１実施形態と重複する事項については、説明上必要なものを除き、以下では繰り返さない。 (Second embodiment)
Next, as a result of continuing research after the inventors of the present application obtained the findings according to the first embodiment, new (expansive) findings were obtained, which will be described below as a second embodiment. Matters that overlap with the first embodiment will not be repeated below, except for those that are necessary for explanation.

研究の継続に伴い蓄積されたデータを、図１３（ａ）～（ｄ）に、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離（２００nm、５００nm、１０００nm、２０００nm）ごとにまとめた。その結果、第１実施形態に係る中心間距離の知見（５００nm以下が抗菌性発揮の条件）の外である、５００nmを超えた中心間距離、具体的には１０００nmまたは２０００nmであっても抗菌性が発揮されることが見出された。 13(a) to 13(d) summarize data accumulated as the research continued for each center-to-center distance (200 nm, 500 nm, 1000 nm, 2000 nm) between two adjacent columnar projections 3,3. As a result, even if the center-to-center distance exceeds 500 nm, specifically 1000 nm or 2000 nm, which is outside the knowledge of the center-to-center distance according to the first embodiment (500 nm or less is the condition for exhibiting antibacterial properties) was found to be exhibited.

発明者は、抗菌を発揮する条件を柱状突起３のアスペクト比に着目して解析した。解析手法は、例えば図１３（ｄ）において大きく生菌率が変化している部分に注目し、図１４に示すように縦軸を生菌率の対数（常用対数）で表示したグラフにおいて、
Log[y]=Ax+B（y:生菌率（％）,x：アスペクト比）
の近似式で表される一次直線(log[y]=-3.9917x+2.4968)で近似した。そして図１４において、当該一次直線が生菌率１％(log[y]=log(1)=0)の横線と交わるxを導いた。この結果、
x=-(B/A)
を得た。更に図１４において、当該一次直線がより抗菌率が高い生菌率０．１％(log[y]=log(0.1)=-1)の横線と交わるxを同様に算出した。この結果、
x=-((1+B)/A)
を得た。このように、二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離によって、抗菌を発揮するアスペクト比(x)を算出できる。 The inventors focused on the aspect ratio of the columnar projections 3 and analyzed the conditions for exhibiting antibacterial properties. For the analysis method, for example, in FIG.
Log[y]=Ax+B (y: viable rate (%), x: aspect ratio)
was approximated by a linear straight line (log[y]=-3.9917x+2.4968) represented by the approximation formula Then, in FIG. 14, the linear straight line intersects with the horizontal line of the viable cell rate of 1% (log[y]=log(1)=0), leading to x. As a result,
x=-(B/A)
got Furthermore, in FIG. 14, the x at which the linear straight line crosses the horizontal line of the viable cell rate of 0.1% (log[y]=log(0.1)=-1), which has a higher antibacterial rate, was similarly calculated. As a result,
x=-((1+B)/A)
got Thus, the aspect ratio (x) that exhibits antibacterial properties can be calculated from the center-to-center distance between the two columnar projections 3,3.

次に、抗菌を示す条件をフィッティングする。図１５において、指数関数
y=Cexp(Dx)
で近似すると、生菌率１％のライン（図中丸形ポイントの近似式／太線ラインの湾曲部分）では、C=1.80,D=-8.3×10^-4であった。また、生菌率０．１％のライン（図中四角形ポイントの近似式／細い一点鎖線のライン）では、C=2.29,D=-8.2×10^-4であった。生菌率１％のラインでは、例えば、中心間距離１００nmの場合アスペクト比が１．６６になり、中心間距離２００nmの場合アスペクト比が１．５２になる。 Next, the conditions showing antibacterial properties are fitted. In FIG. 15, the exponential function
y=Cexp(Dx)
When approximated by , C = 1.80, D = -8.3 × 10 ^-4 on the line with a viable cell rate of 1% (the approximation formula of the round point in the figure/curved portion of the thick line). In addition, C=2.29, D=-8.2×10 ⁻⁴ for the line with a viable cell rate of 0.1% (approximation formula of square points in the figure/thin dashed-dotted line). For a line with a viable cell rate of 1%, for example, when the center-to-center distance is 100 nm, the aspect ratio is 1.66, and when the center-to-center distance is 200 nm, the aspect ratio is 1.52.

以上、本実施形態の抗菌材料における各柱状突起３は、生菌率１％とすると、以下の関係式で表される形状を有する。

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

Asp…各柱状突起３の中心を通る縦断面形状のアスペクト比
p…隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離
As described above, each columnar projection 3 in the antibacterial material of the present embodiment has a shape represented by the following relational expression, assuming that the viable cell rate is 1%.

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

Asp: Aspect ratio of vertical cross-sectional shape passing through the center of each columnar projection 3
p ... Distance between centers of two adjacent columnar projections 3, 3

（第３実施形態）
更に、前記第２実施形態に加えて、本願の発明者による研究の継続により得られた新たな知見を、以下に第３実施形態として説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と重複する事項については、説明上必要なものを除き、以下では繰り返さない。 (Third Embodiment)
Furthermore, in addition to the above-described second embodiment, new knowledge obtained through continued research by the inventors of the present application will be described below as a third embodiment. Matters overlapping those of the first embodiment and the second embodiment will not be repeated below except for those necessary for explanation.

ナノ構造への大腸菌の付着を、水晶振動子を用いて実験した（ＱＣＭ法）。水晶振動子の電極表面にナノ構造を作製した。柱状突起３は円柱状で、直径が２８０nm、高さが４００nm、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離は５００nmとした。また、表面処理により、水の接触角が８０．５°（表面処理なし）、１２８．６°（メチル基による疎水性の表面処理）、２６．０°（水酸基による親水性の表面処理）の柱状突起３を形成した。また、実験に供した細菌として、鞭毛がある大腸菌（ワイルドタイプ／運動性あり）と、遺伝子組み換えにより作製した鞭毛が無い大腸菌（運動性なし）を用意した。そして、水晶振動子の電極に関して付着する表面の構造、または、接触角、そして、付着する側の細菌の特性による付着のしやすさを評価した。 The attachment of E. coli to nanostructures was studied using quartz oscillators (QCM method). A nanostructure was fabricated on the electrode surface of a crystal oscillator. The columnar protrusions 3 were cylindrical, had a diameter of 280 nm, a height of 400 nm, and the distance between the centers of two adjacent columnar protrusions 3, 3 was 500 nm. In addition, by surface treatment, the contact angle of water is 80.5° (no surface treatment), 128.6° (hydrophobic surface treatment with methyl group), 26.0° (hydrophilic surface treatment with hydroxyl group). A columnar projection 3 was formed. In addition, flagellated Escherichia coli (wild type/motile) and flagellated Escherichia coli (non-motile) produced by genetic recombination were prepared as bacteria used in the experiment. Then, the surface structure or contact angle of the electrodes of the crystal oscillator, and the easiness of adhesion due to the characteristics of the bacteria on the adhesion side were evaluated.

前記実験の結果を図１６（ａ）～（ｃ）に示す。各グラフで時間を追って共振抵抗(Resistance shift)が大きくなることは、粘弾性変化が大きくなるということであるから、細菌が付着しつつある可能性を示している。図１６（ａ）のグラフに現れているように、ナノ構造がある方が細菌の付着が多い。また、図１６（ｂ）のグラフに現れているように、接触角が大きい（疎水的）方が細菌の付着が多い。また、図１６（ｃ）のグラフに現れているように、細菌に関し、鞭毛がある方が短時間で細菌が付着する。鞭毛が無い方に関しては、重力による沈下で細菌が付着したものと推測される。表面が疎水性か親水性かによる水晶振動子の電極表面の状態の違いを、顕微鏡写真と共に図１７にまとめる。顕微鏡写真から、接触角と細菌の付着数とは相関があることがわかる。 The results of the experiment are shown in FIGS. 16(a)-(c). The fact that the resonance shift increases over time in each graph means that the change in viscoelasticity increases, indicating the possibility that bacteria are attaching. As shown in the graph of FIG. 16(a), more bacteria adhere to the nanostructure. Also, as shown in the graph of FIG. 16(b), the larger the contact angle (hydrophobic), the more bacteria adhere. In addition, as shown in the graph of FIG. 16(c), with respect to bacteria, flagella adhere to bacteria in a short time. As for the one without flagella, it is presumed that bacteria adhered due to gravity sinking. FIG. 17 summarizes the difference in the state of the electrode surface of the crystal oscillator depending on whether the surface is hydrophobic or hydrophilic, together with a micrograph. From the micrograph, it can be seen that there is a correlation between the contact angle and the number of attached bacteria.

以上、抗菌作用（殺菌作用）は、細菌の性質及び抗菌材料１の表面状態に依存することが知見として得られた。 As described above, it was found that the antibacterial action (bactericidal action) depends on the properties of bacteria and the surface state of the antibacterial material 1 .

ここで、アスペクト比が２で接触角８０°の柱状突起３が形成された抗菌材料１に対し、鞭毛がある大腸菌（ワイルドタイプ／運動性あり）と、鞭毛が無い大腸菌（運動性なし）を供給し、JIS Z 2801による評価を行ったところ、鞭毛がある大腸菌の生菌率が０．０３８％であったのに対し、鞭毛が無い大腸菌の生菌率は１１６％（増殖した）であった。この結果は、ナノ構造である柱状突起３の表面に積極的に細菌が吸着しないと、細菌が死滅しないことを示している。そして、積極的な細菌の吸着は、細菌が有する鞭毛が役割を担っていると考えられる。 Here, with respect to the antibacterial material 1 in which the columnar projections 3 with an aspect ratio of 2 and a contact angle of 80 ° are formed, E. coli with flagella (wild type / motile) and E. coli without flagella (no motility) When it was supplied and evaluated according to JIS Z 2801, the viable cell rate of E. coli with flagella was 0.038%, while the viable cell rate of E. coli without flagella was 116% (proliferation). rice field. This result indicates that the bacteria do not die unless they are positively adsorbed on the surface of the columnar projections 3, which are nanostructures. It is believed that flagella possessed by bacteria play a role in positive adsorption of bacteria.

図１８（ａ）～（ｃ）に、推測される抗菌（殺菌）メカニズムを示す。まず、図１８（ａ）に示すように、細菌が付着しやすい表面を見つけて付着する。次に、図１８（ｂ）に示すように、接着後に鞭毛により細菌に回転運動が生じる。この結果、細菌が柱状突起３に激突して細胞壁に小さな傷が入る。やがて、図１８（ｃ）に示すように、傷が拡大し、細胞内液が漏れ出て死に至ると考えられる。特に、柱状突起３の表面が疎水的であると、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの間に空気が入った状態になっており、細胞内液の漏れに伴い毛細管力が発生することから、強烈な殺菌作用を生じている可能性がある。 Figures 18(a) to (c) show the presumed antibacterial (bactericidal) mechanism. First, as shown in FIG. 18(a), a surface to which bacteria tend to adhere is found and adhered. Next, as shown in FIG. 18(b), the flagella causes the bacterium to rotate after adhesion. As a result, the bacteria collide with the columnar projections 3 and cause small damage to the cell walls. Eventually, as shown in FIG. 18(c), the wound expands and the intracellular fluid leaks out, leading to death. In particular, when the surface of the columnar projections 3 is hydrophobic, air is trapped between two adjacent columnar projections 3,3, and capillary force is generated as the intracellular fluid leaks. Therefore, it may have a strong bactericidal effect.

このように、本実施形態では、第２実施形態で得た、前記関係式で表される柱状突起３の形状面の条件に加え、抗菌の対象細菌が、細長い形状であり鞭毛を有するグラム陰性菌であって、隣り合う二つの柱状突起どうしの側面間の隙間が、対象細菌の鞭毛を除く最大長よりも小さいという、細菌との関係性の条件が抗菌作用を発揮するための条件であるとの知見を得られた（図１９）。この細菌との関係性の条件により、サイズの異なる対象細菌への、最適な抗菌作用を発揮する抗菌材料１を提供できる。 As described above, in this embodiment, in addition to the condition of the shape surface of the columnar projection 3 represented by the relational expression obtained in the second embodiment, the target bacteria for antibacterial is Gram-negative bacteria having an elongated shape and flagella. It is a bacterium, and the condition of the relationship with the bacterium that the gap between the side surfaces of two adjacent columnar projections is smaller than the maximum length of the target bacterium excluding the flagella is the condition for exhibiting the antibacterial effect. (Fig. 19). Depending on the condition of this relationship with bacteria, it is possible to provide an antibacterial material 1 that exhibits optimal antibacterial action against target bacteria of different sizes.

グラム陰性菌とは、細胞壁におけるペプチドグリカン層が相対的に薄い細菌のことであり、大腸菌、緑膿菌、マイコプラズマ、淋菌、コレラ菌が例示できる。 Gram-negative bacteria are bacteria having a relatively thin peptidoglycan layer on the cell wall, and examples thereof include Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Mycoplasma, Neisseria gonorrhoeae, and Vibrio cholerae.

ここで、柱状突起３，３どうしの隙間が大きい場合、各柱状突起３の高さがある程度大きくないと細菌がぶつからない。逆に、柱状突起３，３どうしの隙間が小さい場合、細菌はぶつかりやすい。しかし、隙間が小さくなり過ぎると平坦形状と同じになってしまう。このためある程度の凸凹が必要であり、それが前述した各条件に対応する。 Here, when the gap between the columnar projections 3, 3 is large, bacteria do not collide unless the height of each columnar projection 3 is large to some extent. Conversely, if the gap between the columnar projections 3, 3 is small, the bacteria are likely to collide with each other. However, if the gap becomes too small, the shape becomes the same as the flat shape. For this reason, a certain degree of unevenness is required, which corresponds to each condition described above.

以上、第２実施形態及び第３実施形態についてまとめると、細菌の大きさに比べ柱状突起３，３どうしの隙間が小さいナノ構造により抗菌性が発揮される。また、柱状突起３の形状面の条件は、生菌率１％とすると、柱状突起３の高さを幅寸法で割ったものをアスペクト比(Asp)とし、隣り合う二つの柱状突起３，３どうしの中心間距離をpとして、

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

で表される条件である。また、抗菌作用は、まず細菌が積極的にナノ構造に付着することが重要である。そのための条件に関してまとめると、（１）柱状突起３の表面が疎水的である、（２）細菌に鞭毛がある、（３）鞭毛に運動性がある、という３条件である。
Summarizing the second and third embodiments as described above, antibacterial properties are exhibited by the nanostructure in which the gap between the columnar projections 3, 3 is smaller than the size of bacteria. In addition, assuming that the viable cell rate is 1%, the aspect ratio (Asp) is the height of the columnar protrusions 3 divided by the width, and the two adjacent columnar protrusions 3, 3 Assuming the center-to-center distance as p,

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

It is a condition represented by Also, for the antibacterial action, it is important that bacteria first actively adhere to the nanostructure. The conditions for this are summarized as follows: (1) the surface of the columnar projection 3 is hydrophobic, (2) the bacterium has flagella, and (3) the flagella has motility.

なお、本発明は前記第１～第３実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The present invention is not limited to the first to third embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、前記実施形態の抗菌材料１の素材はシリコンであったが、これに限定されず、種々の無機材料、及び金属や樹脂などの有機材料を素材とできる。このように種々の材料を素材として抗菌材料１を形成できる。 For example, the material of the antibacterial material 1 in the above embodiment was silicon, but it is not limited to this, and various inorganic materials and organic materials such as metals and resins can be used as the material. In this manner, the antibacterial material 1 can be formed using various materials as raw materials.

また、製法についても、前記実施形態ではメタルアシストエッチング法であったが、これに限定されない。メタルアシストエッチング法による場合も、前記実施形態のようなポリスチレンビーズ以外に種々の物体を使用できる。なお、自己組織化膜を形成できる物体を使用することが望ましい。また、貴金属薄膜の形成を、前記実施形態ではスパッタリングによって行っていたが、蒸着（例えば真空蒸着）、めっき等の種々の方法で行うことができる。 Also, the manufacturing method is not limited to the metal-assisted etching method in the above embodiment. When using the metal-assisted etching method, various objects can be used in addition to the polystyrene beads used in the above embodiment. In addition, it is desirable to use an object capable of forming a self-assembled film. In addition, although the noble metal thin film is formed by sputtering in the above embodiment, it can be formed by various methods such as vapor deposition (for example, vacuum vapor deposition) and plating.

また、抗菌性のおよぶ対象となる微生物は、前記実施形態では大腸菌を含むグラム陰性菌とされていたが、これに限定されず種々の微生物が対象となる。 In the above-described embodiment, the target microorganisms to which antibacterial properties are applied are Gram-negative bacteria including Escherichia coli.

１抗菌材料
２基板
３柱状突起
２ａシリコン板
Ｂポリスチレンビーズ
Ｆ薄膜 REFERENCE SIGNS LIST 1 antibacterial material 2 substrate 3 columnar projection 2a silicon plate B polystyrene bead F thin film

Claims

Equipped with multiple pillarsA method for producing an antimicrobial material comprising:,
Each columnar projection,

Asp = 1.80exp(-0.00083p)

Asp: Aspect ratio of the vertical cross-sectional shape passing through the center of each columnar projection
p…Center-to-center distance between two adjacent columnar projections (nm)

Whenis represented by the relational expression ofWith the boundary as a reference, the positional relationship andshapeto setantibacterial materialHow to make.

2. The method for producing an antibacterial material according to claim 1, wherein each columnar projection has a columnar shape.

3. The method for producing an antibacterial material according to claim 1, wherein each of said columnar projections is made of silicon or resin.

4. The method for producing an antibacterial material according to claim 1, wherein at least the surface around the tip of each columnar projection is hydrophobic.

Each of the columnar projections is made of silicon,
5. The method for producing an antibacterial material according to claim 4, wherein the hydrophobic surface is formed by removing a silicon oxide film.

6. The method for producing an antibacterial material according to claim 1, wherein the plurality of columnar projections include columnar projections on the surface of which molecules having hydrophobic groups are present.

7. The antibacterial material according to claim 6, wherein the plurality of columnar projections are configured such that columnar projections having molecules with hydrophobic groups present on the surface and columnar projections having molecules having hydrophilic groups present on the surface are mixed. method of making .

The target bacterium for antibacterial is a Gram-negative bacterium having an elongated shape and flagella,
8. The method for producing an antibacterial material according to claim 1, wherein the gap between the side surfaces of the two adjacent columnar projections is set smaller than the maximum length of the target bacterium excluding the flagella.

A method for producing an antibacterial member used for a portion in contact with a liquid, comprising:
A method for producing an antibacterial member, wherein the antibacterial material produced by the production method according to any one of claims 1 to 8 is provided so that the plurality of columnar projections protrude with respect to the liquid.